Lehké materiály z letadel do automobilů

Konstruktéři sáhli u závodních automobilů po alternativních materiálech, používaných ve stavbě letadel. Teprve později našly lehké materiály cestu i do sériových automobilů. Téměř šedesát let poté, kdy se hliníkové slitiny staly materiály závodních vozů, přišla automobilka Audi v roce 1994 s technologií Audi Space-Frame (ASF) pro velký sedan A8, kdy do rámového skeletu různých profilů z hliníkové slitiny byly integrovány hliníkové plošné díly s nosnou funkcí.

Je to ten nejznámější příklad, hliník však byl využit už pro terénní vozy Land Rover z důvodu poválečného nedostatku oceli ve Velké Británii, a samozřejmě u řady sportovních automobilů… Historie se nyní může opakovat, protože další lehké materiály jsou opět známy z letectví a kosmonautiky. Jde především o kompozity na základě skleněných (GFK – Glasfaserkunstoff), uhlíkových (CFK – Carbonfaserkunstoff) i jiných vláken. Kromě atraktivního hliníku se ovšem jako vhodné lehké materiály dobře uplatňují nejen kompozity, ale také speciální vysokopevnostní oceli a slitiny hořčíku. Pro sériové vozy nařizují automobilkám a jejich dodavatelům stále přísnější limity emisí CO₂ z výfuku jednu dietu za druhou. Snížením hmotnosti automobilu o 100 kg klesne spotřeba paliva zhruba o 0,3 l/100 km. Převedeno na množství emisí CO₂ jde tedy o redukci sedmi gramů na ujetý kilometr. Ovšem než se lehké materiály rozšíří i na stavbu velkosériových vozů, je třeba ještě vyřešit řadu problémů. Patří k nim náklady na nové technologie a zajištění pozitivní energetické bilance. V tom hraje značnou roli recyklace, kdy např. u hliníku je energetická náročnost při jeho druhém zhodnocení jen zlomkem té, která byla vyložena při primární výrobě.

U skelných kompozitů GFK jsou primární nároky na energii 13 až 32 MJ/kg výrazně nižší než u uhlíkových kompozitů CFK (183 až 286 MJ/kg). Je tedy logické, že CFK jsou zatím využívány téměř výhradně u kusové výroby supersportovních automobilů, zvláště když je produkce karosářských dílů komplikovaná. Zhotovení jednoho kousku klasickým laminováním trvá totiž čtyři dny. Rohože z uhlíkových vláken se na sebe pokládají tak, aby se vlákna křížila, poté jsou ponořeny do pryskyřice a až do vlastní laminace musí být chlazeny, aby k reakci pryskyřice došlo až ve vyhřáté peci. To je proces, jenž je jen těžko schopen automatizace, i když se blýská na lepší časy, protože novou technologií RTM (Resin Transfer Moulding) je možno zhotovit tyto díly asi do čtyř hodin.

Proti naznačené technologii používané např. u značky Lamborghini (její zkušenosti chce převzít celý koncern Volkswagen) vychází metoda RTM z kuchyně McLarenu ze suchých uhlíkových vláken, držících pospolu jednoduchým sešitím, jež robot uloží v několika vrstvách do negativní formy, ta se uzavře a do vnitřního prostoru je pod tlakem vháněna pryskyřice. K vytvrzení dílů dochází opět zvýšenou teplotou. Ovšem i zkrácení procesu na čtyři hodiny je pro výrobu velkosériového vozu příliš dlouhé. V takovém případě musí stroj pracovat v minutovém taktu, takže lze jen obdivovat odvahu automobilky BMW, že se možností velkosériové výroby dílů z CFK intenzivně zabývá.

Přišli totiž se studií malého elektromobilu BMW i3, u něhož se i při předpokládané sériové výrobě v roce 2013 počítá, že karoserie bude z uhlíkových kompozitů. Společnost BMW Group se už dnes může opřít o zkušenosti, jež ­získala s uhlíkovou střechou pro malou speciální sérii M3 CSL. Měl by být využit proces trvající jen 360 sekund, který vychází z nakrátko rozsekaných a velice tenkých uhlíkových vláken, jež se stlačí, napustí pryskyřicí a následně předtvarují. Tyto díly pak putují do lisu, kde se jeho tlakem zahřejí, což vy­volá vyžadovanou chemickou reakci. Takto vyrobený díl sice údajně nemá všechny vlastnosti, které přináší metoda RTM, nicméně v tuhosti konkuruje oceli, ale přitom vykazuje poloviční hmotnost. Jinou mož­ností je využití podobného postupu jako RTM, ale přísadami do pryskyřice podstatně zredukovat časy potřebné pro vytvrzení.

Pokud se správně nastaví cesta k odlehčené konstrukci, mělo by to vyvolat kaskádu možností redukce hmotnosti sériových automobilů. Například lehčí karoserie dovoluje použít lehčí tlumiče, menší hmotnost vozu dává šanci sáhnout po kompaktnější brzdové soustavě atd. V konečné bilanci pak potřebujete menší a samozřejmě i lehčí motor. Toto téma je jednou z priorit firmy ZF, která již nyní přichází s řadou avantgardních námětů náhrady oceli nosných a silně namáhaných podvozkových dílů. Jde třeba o kompletní celky náprav, vyrobené z GFK a CFK, jež jsou až o 30 % lehčí; u jednotlivých komponentů to však může být úspora hmotnosti až 50 %.

Alternativní materiály také přinášejí nové přístupy v konstrukci, výpočtech i provádění zkoušek. Elasticita kompozitů GFK jde vstříc vývojářům pružicích dílů v systémech náprav, jimž je ovšem třeba dát odpovídající tvar, aby podvozek byl jak bezpečný, tak komfortní. Protože zmíněné kompozity reagují na tahová i tlaková zatížení zcela ­jinak než ocel, není možné již osvědčené ­algoritmy pouze převzít, což platí i o metodách simulace funkcí. U společnosti ZF již byly vyvinuty dva zajímavé produkty v lehkém provedení. Jedním z nich je pružicí a tlumicí jednotka systému McPherson s nábojem kola a materiálovou kombinací ocel, hliník a uhlíkový kompozit GFK. Neméně náročná je také představená studie nápravy s příčným listovým perem z materiálu GFK, zvládající všechny tři funkce, tedy pružicí, stabilizující a vodicí, jež u konvenčního ře­šení zajišťuje několik různých dílů. Není tedy pochyb o tom, že v boji za snížení spotřeby paliva se v blízké budoucnosti dočkáme mnoha zajímavých a inovativních řešení.